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晶體材料追尋突破 TCECM發展改變生活指日可待


新網記者黃小玲台北特稿
2015/3/25 下午 07:01:09 / 科技新知

 晶體存在於人類生活中每個角落,平常使用的手機、相機、電腦等3C產品,個個都需要置入晶體,生活已充斥在晶體世界裡,晶體造就現今科技發達的生活,未來可能還會出現新的晶體,讓人類再次掀起革命並改變生活。

「尖端晶體材料聯合實驗室」集結5位國內經驗豐富具專業學識的人才,共同研發新的晶體,讓人類再次掀起革命並改變生活。(黃小玲攝影)
 台灣大學材料科學與工程學系教授陳俊維表示,2011年開始由科技部對物理學界中的晶體研究做投資,並集結到5位國內經驗豐富具專業學識的人才,在2012年5月組成「尖端晶體材料聯合實驗室」(Taiwan Consortium of Emergent Crystalline Materials, TCECM),從技術和理論交流組成一個平台,以此平台讓國內其他做晶體的研究者,藉由平台能一起工作,有很多材料標準可共享資源,技術上可交流更密切。

 陳俊維說,2014年實驗室團隊陣仗愈發成熟,很多人在這領域下有發展,所以再投入新的資源,現有14個團隊,並針對5個不同面向:一、先進材料的分析技術。二、原件製程技術。三、新穎能源或功能性材料開發。四、基礎理論。五、工業應用。所以無論怎麼開發新的東西,都要回歸到基礎理論,而非只重視實驗結果,還得思考如何拿它來使用,讓它發揮社會經濟價值。身為尖端晶體材料聯合實驗室負責執行的人,TCECM就要從台灣出發,把名聲傳揚國際。

台灣大學材料科學與工程學系教授陳俊維希望TCECM要從台灣出發,把名聲傳揚國際。(黃小玲攝影)
 台灣大學凝態科學研究中心研究員周方正認為,實驗室組織上特別強調整合性的事情,做單一材料的話,長單晶是技術也是藝術,是一種整合概念,一旦做出一個材料,就希望研究清楚所有的基礎物理,讓理念實務跟材料可以有非常好的整合。雖是著重整合統一和研發新材料,但有很多新物理可從舊材料找到,才能不斷突破。

 在長單晶上,新的技術發展能達到,周方正以他的實驗室發展說明,凝態物理的基礎研究仍希望和應用研究有所連繫,主要朝3個研究發展方向進行:第一、電池材料。從能源、熱電材料方面發展,電池材料需要更大蓄電量,各種性質要摸索清楚,若要把電轉熱或熱轉電就必須要很好的熱電材料才行。第二、新一代功能性材料。因為不能完全一直停留在矽的半導體,多年以前矽的半導體工業革命,一直不斷探討新的可能性,矽也是最常用的半導體,如果將過渡金屬「錳」摻了一半進入矽裡面,在spin電子自旋上產生一種迴旋狀skyrmion新變化,這樣的三維磁性結構能長出很好晶體,再仔細把它整理出空間中的溫度跟磁場變化情況。一步步踏向未來應用。

 周方正指出,近5年來整個物理界都在追尋一種突破性的材料,新一代叫「拓撲絕緣體」。以材料BiTeI為例,它是Bi、TeI跟點的一個材料,Bi在中間,它一層是點,一層是TeI,所以看起來是整片長起來是平面的,但有時會產生翻轉現象,所以上面是TeI還是點不得而知,此現象在長單晶也會碰上。材料BiTeI在這兩個原子質量電性會有差異,電性差異會造成Rashba effect,原來spin可以上下來回移動,結果因特殊材料的天然不對稱,它在某個方向就定住了,相當有趣的變化。可透過spin空間的不對稱產生很多種變化,些微的物理研究變化就能夠達到應用目的。

台灣大學凝態科學研究中心研究員周方正指出,近5年來整個物理界都在追尋一種突破性的材料,新一代叫「拓撲絕緣體」。(黃小玲攝影)
 他說,還有一例是與普林斯頓大學團隊合作,提供最好的單晶給對方,才能達到好的實驗結果,這材料牽涉到狄拉克錐面(Dirac cone),是一種新的能隙,提到半導體是一個倒帶跟一個價帶中間有個能隙,讓電子穿越能隙是最新且多種的變化。能隙的倒帶跟價帶只接觸在一個點上,電子處在動態下,究竟屬於上面還是下面無法了解,因此狄拉克錐面(Dirac cone)是個有趣的發展方向,實際上跟石墨烯運用到同種性質可說是不謀而合。

 如今科技部推動TECEM,應貫徹培養專業人才,像是長單晶、材料、科學研究更需要累積良才,未來產學發展能做更多連結,推動新一代能跟全世界聯絡,雖是做應用研究,但要有好的研究基礎力量,跟理論做緊密結合,所以現在TECEM也有理論團隊,不久之後這版圖會越來越清楚。

中山大學材料與光電科學學系教授周明奇表示,該校成立晶體研究中心,能生長的晶體包含雷射、光學、高溫超導、生醫科技、高能物理、核子物理、壓電晶體等。(黃小玲攝影)
 將南部晶體生長特地帶到現場展現成果,中山大學材料與光電科學學系教授周明奇表示,常看到「東森命運鑑定團」有寶石鑑定,其實寶石就是晶體,若將晶體切成寶石,相信應該沒有人可以鑑定出來,因為此晶體純度太高,幾乎沒有缺陷。做晶體生長包含物理、化學、結晶學、材料科學、礦物學等學問在裡面。經由實驗室讓晶體生長,可定義在兩個方向:第一、別人沒做過的晶體,希望將它開發出來。第二、現在已有的晶體,把它做到最好。

 在科技部和中山大學支持下,成立晶體研究中心(Center for Crystal Researches),目前中心內所能生長的晶體包含雷射、光學、高溫超導、生醫科技、高能物理、核子物理、壓電晶體等。周明奇說,在晶體生長方面台灣規模比美國、日本或其他國家的國家級實驗室都還大,此外,晶體本身在基礎研究跟工業應用之外,也自己設計跟扶持國內產業相關發展,晶體生長可謂是科學和藝術的結合。
頻道:資訊科技 分類:科技新知
專題:黃小玲 日期:2015/3/25 下午 07:01:09
關鍵字:晶體,手機,相機,電腦,物理,陳俊維,周方正,周明奇

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